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外墙传热系数对夏热冬暖地区近零能耗居住建筑的影响分析

2024-11-11 41 上传者：管理员

摘要：随着全球气候变化的加剧和能源危机的日益严重，近零能耗建筑已成为未来建筑发展的重要方向。本文聚焦于夏热冬暖地区，探讨外墙传热系数对近零能耗居住建筑能耗性能的影响。通过模拟分析和经济性分析，揭示了外墙传热系数与建筑能耗、全生命周期成本之间的关系，为夏热冬暖地区近零能耗居住建筑的设计和优化提供了理论依据和实用指导。

关键词：
夏热冬暖地区
外墙传热系数
建筑节能降耗
能源危机
近零能耗建筑
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近年来，随着全球气候变化和能源危机的日益加剧，建筑节能降耗已成为全球性的研究热点。其中，近零能耗建筑作为建筑节能领域的重要发展方向，具有显著的潜力和价值。近零能耗建筑是指在建筑全寿命期内，其能耗水平接近或低于同类建筑的平均水平，并最大限度地提高能源使用效率的建筑。在夏热冬暖地区，近零能耗建筑尤为重要。由于高温高湿的气候特点，建筑需要承受较大的热负荷和湿负荷，对保温隔热性能要求较高。近零能耗建筑通过降低外墙传热系数、优化建筑布局和采用高性能隔热材料等措施，能够显著提高建筑的保温隔热性能，降低空调系统的能耗，实现节能减排的目标。

在当前的建筑设计中，外墙作为建筑与外界环境直接接触的部分，其传热系数对建筑能耗有至关重要的影响。外墙传热系数低，意味着建筑具有更好的保温隔热性能，从而能够显著降低建筑的能耗。然而，这种低传热系数的外墙材料往往成本较高，因此，研究外墙传热系数对建筑能耗的影响及其经济性，对于指导建筑节能设计具有重要意义。

1、外墙传热系数对建筑能耗的分析

传热系数是衡量材料隔热性能的重要指标，其数值越低，表示材料的隔热性能越好。外墙传热系数是评价墙体保温隔热性能的重要指标之一，它决定了建筑外墙对室内外温差的响应程度。在建筑节能设计中，降低外墙的传热系数，可以有效减少建筑内外热量的传递，从而降低建筑的能耗。

在夏热冬暖地区，常用的保温隔热材料有保温砂浆、挤塑板、岩棉板等，以外墙内保温为主，基层墙体以混凝土墙体和加气块墙体为主。本文以广州市某栋居住建筑为例，该居住建筑建筑面积地上18240m2，建筑层数为地上30层，建筑高度为116.5m，建筑（节能计算）外表面积为21435.53m2，结构类型为框架剪力墙结构。基于广州市大部分居住建筑设置混凝土墙体且做保温层、挤塑板的导热系数比较低且施工工艺简单、实际节能效果相对好等因素，选取钢筋混凝土作为外墙基础墙体，外墙基础墙体构造为5mm水泥砂浆+200mm钢筋混凝土+5mm水泥砂浆。采用北京绿建软件股份有限公司的节能设计BECS2022软件，通过改变外墙内保温层挤塑板的厚度，分析建筑外墙传热系数和空调能耗的变化规律。

从表1可知，随着外墙保温层挤塑板的厚度不断增加，外墙传热系数逐渐下降，但是下降的幅度越来越小。同时，空调能耗随着挤塑板厚度增加而降低，但下降的幅度也越来越小。

外墙传热系数的基本计算公式为[1]:

表1 外墙传热系数与建筑能耗（空调能耗）变化情况

对式（1）两次求导，得出通过墙体传热系数增量随保温层厚度的变化关系：

从式（2）可知，外墙传热系数K的增量随着保温层厚度δ的增加而减少。

无论是通过建筑能耗模拟分析，还是通过外墙传热系数原理推导，都表明了外墙增加保温层厚度是一个有效的节能措施，但当增加保温层后，随着厚度的增加，其单位厚度对节能的贡献越来越小，所以应当合理确定保温层厚度，同时应考虑材料、施工、维护和经济的合理性等因素。

2、外墙传热系数的经济性分析

保温层厚度是影响外墙传热系数的重要因素之一。过厚的保温层会增加建筑成本，而过薄的保温层则会影响建筑节能效果。为了全面评估外墙保温材料的经济性，需要考虑其全生命周期成本。全生命周期成本计算不仅考虑了初始投资成本，还考虑了未来年份的运行维护成本，同时考虑银行利率和通货膨胀的影响，并将它们通过折现率统一到当前价值进行比较。为了便于计算比较，全生命周期成本费用可以简化为由保温材料的投资建造费用和制冷空调运行费用组成。

单位面积保温层生命周期总费用计算公式为[2]:

Cin——单位面积保温材料的价格，元/m2;

Co——生命周期内单位面积建筑制冷空调费，元/m2。

材料投资建造费计算表达式如下：

Ci——单位体积保温材料的价格，元/m3;

Ce——单位面积保温材料的建造费用，元/m2;

δ——保温材料的厚度，m。

制冷空调费计算表达式如下：

其中，

当g<I时：I∗=(I-g)/(1+g)

当g>I时：I∗=(g-I)/(1+I)

E——单位面积建筑能耗模拟，kWh/m2;

Cf——地方电价，元/kWh;

g——通货膨胀率，%；

I——银行利率，%；

I∗——折现率，%；

N——保温层生命周期的年数，年。

建筑外墙的经济性分析可以运用净现值法、成本效益分析、内部收益率、生命周期成本评估、投资风险评估和可持续性评估等多种方法。净现值（Net Present Value,NPV）是一个反映投资方案在计算期内获利能力的动态评价指标。它考虑了资金的时间价值，通过将项目在计算期内各年发生的净现金流量（即现金流入与现金流出的差额）按照一个预定的基准收益率（或称为折现率，通常用ic表示）进行折现，然后加总得到的一个现值之和。

通过净现值法分析，将工程增加的外墙保温材料的投资费用与所节约的空调制冷运行费用同时折算到现在的现值，计算公式为：

△Co——建筑提高外围护结构的保温性能获得的经济收益现值；

△Cin——建筑提高外围护结构的保温性能增加的投资现值；

Res——保温材料的剩余残值的净现值。

如果计算得到的NPV大于0，说明项目在经济上是可行的，因为它能够产生超过基准收益率的回报；如果NPV小于0，则说明项目在经济上不可行；如果NPV等于0，则项目刚好达到基准收益率的回报水平。

以广州市价格为例，相关费用价格见表2，外墙的经济性分析见表3。

由表3所示，外墙的传热系数在（1.050～1.615)W/m2·K时，净现值均大于0，随后外墙的传热系数再降低时，净现值小于0。根据《近零能耗建筑技术标准》GB/T51350-2019的规定，夏热冬暖地区居住建筑的外墙传热系数推荐参考值范围为（0.30～0.80)W/(m2·K)[5]。这个范围是基于该地区的气候特点、建筑使用需求等因素综合确定的，旨在指导设计师在合理范围内选择外墙材料和构造方式。因此根据表3的数据分析，夏热冬暖地区近零能耗居住建筑的外墙传热系数宜取1.0W/m2·K左右比较合适。

表2 相关费用价格

表3 外墙传热系数的经济性分析

3、结论与展望

通过本文分析可知，夏热冬暖地区近零能耗居住建筑外墙传热系数宜取1.0W/m2·K。对于近零能耗建筑而言，节能设计以能效指标为能耗约束目标。近零能耗建筑的节能设计需要综合考虑多个因素，包括外墙传热系数、保温层厚度、建筑朝向、窗墙比、遮阳措施、自然通风等。设计师需要根据建筑的具体情况和节能设计条件，灵活选择节能设计策略，以实现建筑的高效节能。在未来的建筑设计和建设中，应充分考虑气候特点和能源需求，采用合理的外墙传热系数和其他节能措施，实现建筑的节能减排和可持续发展。

参考文献:

[1]GB 50176-2016,民用建筑热工设计规范[S].

[2]黄冬娜.广州地区近零能耗居住建筑外围护结构指标研究[D].华南理工大学,2018.

[3]兰勇,万朝均.建筑外墙传热系数对能耗的影响[J].重庆工学院学报(自然科学版),2008,(06):31-34.

[4]黄春华,叶勇军.节能建筑外墙保温层厚度的经济性优化[J].建筑热能通风空调,2005,(06):73-76.

[5]GB/T 51350-2019,近零能耗建筑技术标准[S].

基金资助:广东省住房和城乡建设厅科技创新计划项目《夏热冬暖地区外墙节能技术研究与优化》,项目编号2022-K2-084976;

文章来源:潘城岿.外墙传热系数对夏热冬暖地区近零能耗居住建筑的影响分析[J].广东建材,2024,40(11):133-136.